Ces "quasiparticules" étranges pourraient enfin révéler la matière sombre


Environ 80% de toute la matière du cosmos a une forme totalement inconnue de la physique actuelle. Nous appelons cela matière noire, car au mieux nous pouvons dire que c'est… sombre. Des expériences menées dans le monde entier tentent de capturer une particule de matière noire égarée dans l’espoir de la comprendre, mais jusqu’à présent, elles se sont avérées vides.

Récemment, une équipe de théoriciens a proposé une nouvelle façon de chasser la matière noire en utilisant d’étranges "particules" appelées magnons, un nom que je n’avais pas inventé. Ces théoriciens disent que ces minuscules ondulations pourraient attirer même une particule de matière noire légère et fugace. [The 11 Biggest Unanswered Questions About Dark Matter]

Nous savons toutes sortes de choses sur la matière noire, à l'exception notable de ce qu'elle est.

Même si nous ne pouvons pas le détecter directement, nous voyons des traces de matière noire dès que nous ouvrons nos télescopes à l'univers plus large. La première révélation, qui remonte aux années 1930, a eu lieu à travers l'observation d'amas de galaxies, parmi les plus grandes structures de l'univers. Les galaxies qui les habitaient se déplaçaient tout simplement trop rapidement pour être regroupées. En effet, la masse collective des galaxies fournit la colle gravitationnelle qui maintient la grappe ensemble: plus la masse est grande, plus la colle est résistante. Une colle très forte peut tenir même les galaxies les plus rapides. Plus vite et le cluster se déchirerait tout simplement.

Mais les groupes existaient déjà, et les galaxies y bourdonnaient beaucoup plus rapidement qu’elles ne le devraient en raison de la masse du groupe. Quelque chose avait assez de force gravitationnelle pour maintenir les grappes ensemble, mais que quelque chose n'émettait pas ou n'interagissait pas avec la lumière.

Ce mystère a persisté non résolu au cours des décennies et dans les années 1970, l'astronome Vera Rubin a largement contribué à l'amélioration de la qualité de la vue grâce aux observations d'étoiles dans les galaxies. Encore une fois, les choses allaient trop vite: compte tenu de leur masse observée, les galaxies de notre univers auraient dû se séparer il y a des milliards d'années. Quelque chose les tenait ensemble. Quelque chose d'invisible. [11 Fascinating Facts About Our Milky Way Galaxy]

L'histoire se répète dans tout le cosmos, dans le temps et dans l'espace. De la première lumière du Big Bang aux plus grandes structures de l'univers, il y a quelque chose de génial.

Il y a tellement de matière noire – nous ne pouvons simplement trouver aucune autre hypothèse viable pour expliquer le tsunami de données à l'appui de son existence. Mais qu'est-ce que c'est? Notre meilleure hypothèse est que la matière noire est une sorte de nouvelle particule exotique, jusque-là inconnue de la physique. Dans cette image, la matière noire inonde chaque galaxie. En fait, la partie visible d’une galaxie, telle qu’elle est vue à travers les étoiles et les nuages ​​de gaz et de poussière, n’est qu’un petit phare adossé à un rivage beaucoup plus vaste et plus sombre. Chaque galaxie est située dans un large "halo" composé de zillions sur zillions de particules de matière noire.

Ces particules de matière noire traversent votre pièce en ce moment même. Ils coulent à travers vous. Une pluie sans fin, composée de minuscules particules de matière noire invisibles. Mais vous ne les remarquez tout simplement pas. Ils n'interagissent pas avec la lumière ni avec des particules chargées. Vous êtes composé de particules chargées et vous êtes très amical avec la lumière; vous êtes invisible à la matière noire et la matière noire est invisible pour vous. La seule façon dont nous "voyons" la matière noire passe par la force de gravitation; la gravité observe chaque forme de matière et d'énergie dans l'univers, qu'elle soit sombre ou non, donc aux plus grandes échelles, nous observons l'influence de la masse combinée de toutes ces innombrables particules. Mais ici dans ta chambre? Rien.

À moins, nous l'espérons, d'une autre manière, la matière noire interagit avec nous, la matière normale. Il est possible que la particule de matière noire, quelle qu'elle soit, sent également que la faible force nucléaire – responsable de la désintégration radioactive – ouvre une nouvelle fenêtre sur ce royaume caché. Imaginez construire un détecteur géant, juste une grosse masse de tout élément utile. Des particules de matière noire la traversent presque toutes de manière totalement inoffensive. Mais parfois, avec une rareté dépendant du modèle particulier de matière noire, la particule qui passe interagit avec l'un des noyaux atomiques des éléments du détecteur via la force nucléaire faible, ce qui la met hors de propos et rend toute la masse du détecteur. trembler.

Cette configuration expérimentale ne fonctionne que si la particule de matière noire est relativement lourde, ce qui lui donne suffisamment d’empreinte pour assommer un noyau dans l’une de ces rares interactions. Mais jusqu'à présent, aucun des détecteurs de matière noire à travers le monde n'a vu la moindre trace d'interaction, même après des années et des années de recherche. Au fur et à mesure que les expériences avancent, les propriétés admissibles de la matière noire ont été progressivement éliminées. Ce n'est pas nécessairement une mauvaise chose. nous ne savons tout simplement pas de quoi est faite la matière noire, alors plus nous en savons sur ce qu’elle est, plus l’image de ce qu’elle pourrait être.

Mais le manque de résultats peut être un peu inquiétant. Les candidats les plus lourds à la matière noire sont exclus, et si la particule mystérieuse est trop claire, elle ne sera jamais vue dans les détecteurs tels qu'ils sont installés en ce moment. C'est-à-dire, à moins qu'il n'y ait un autre moyen pour que la matière noire puisse parler à la matière ordinaire.

Dans un récent article publié dans le journal en ligne de préimpression arXiv, les physiciens détaillent un dispositif expérimental proposé qui pourrait repérer une particule de matière noire en train de changer le spin des électrons (si, en fait, la matière noire peut le faire). Dans cette configuration, la matière noire peut potentiellement être détectée, même si la particule suspecte est très claire. Pour ce faire, il crée des magnons dans le matériau.

Imaginez que vous avez un morceau de matériau à une température de zéro absolu. Tous les spins – comme de minuscules barres magnétiques – de tous les électrons dans cette matière vont dans la même direction. Au fur et à mesure que vous augmentez lentement la température, certains électrons vont commencer à se réveiller, à se tortiller et à pointer au hasard leurs spins dans la direction opposée. Plus vous augmentez la température, plus les électrons sont retournés – et chacun de ces retournements réduit légèrement la force magnétique. Chacune de ces rotations inversées provoque également une légère ondulation dans l'énergie du matériau, et ces ondulations peuvent être considérées comme une quasi-particule, pas une vraie particule, mais quelque chose que vous pouvez décrire avec les mathématiques de cette façon. Ces quasiparticules sont appelées "magnons", probablement parce qu'elles ressemblent à de minuscules petits aimants mignons.

Donc, si vous commencez avec un matériau très froid, et que suffisamment de particules de matière noire le touchent et retournent des spins, vous observerez des magnons. En raison de la sensibilité de l'expérience et de la nature des interactions, cette configuration peut détecter une particule de matière noire légère.

C'est, si cela existe.

Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de Votre place dans l'univers.

Publié à l'origine sur Science en direct.